Study of hybrid laser / MAG welding process: characterization of the geometry and the hydrodynamics of the melt pool and development of a 3D thermal model
Etude du procédé de soudage hybride laser/MAG : Caractérisation de la géométrie et de l'hydrodynamique du bain de fusion et développement d'un modèle 3D thermique
Résumé
Hybrid laser/MIG-MAG welding shows high advantages compared to laser welding or GMAW arc welding used separately. Thanks to this process, higher productivity can be gained through higher welding speed, higher squeeze tolerance moreover possible improvement of the metallurgical properties of the weld seam can be obtained. However, many operating parameters have to be set up in order to achieve optimal process. The complex physical phenomena, which govern welding process, have to be understood in order to use efficiently this technique in mass production. Understanding of these phenomena is also necessary to program numerical simulations which fit to this process. In the first step, experimental studies have been carried out with GMAW, laser and hybrid welding on samples of S355 steel. Influence of operating parameters has been analyzed through films performed with speed camera and macrographies of weld seam cross section. Surface deformations of the melt pool, induced by the arc pressure, weld pool length, droplet detachment and welding speed, have been analyzed precisely from images of the surface melt pool. In a second step, a numerical model was developed using the COMSOL Multiphysics® software for MAG, laser and hybrid laser/MAG welding processes. A 3D quasi-stationary model has been calculated from the temperature field within the metal. The originality of the MAG and hybrid model lies in the prediction of the melt pool surface profile used to determine the 3D geometry, by taking into account the material input The influence of different parameters such as arc power and speed welding on the efficiency as well as the distribution radius of the arc power and the arc pressure are analyzed through validations with different experimental results and different calculation configurations.
Le soudage hybride laser/MIG-MAG présente des avantages très intéressants par rapport au soudage laser ou au soudage à l'arc MIG-MAG utilisés séparément. Il permet notamment une productivité plus élevée grâce à des vitesses de soudage plus grandes, une plus grande tolérance d'accostage et la possibilité d'améliorer la métallurgie du cordon de soudage. Par contre, il nécessite d'ajuster un grand nombre de paramètres opératoires pour obtenir un procédé optimal. Afin d'utiliser efficacement ces techniques pour la production industrielle, il est donc nécessaire de comprendre précisément les phénomènes physiques complexes qui régissent ce procédé de soudage. Cette compréhension est également nécessaire pour l'élaboration de simulations numériques adaptées à ce procédé. Dans un premier temps, une étude expérimentale a été réalisée sur les procédés de soudage MAG, laser et hybride laser/MAG hybride sur l'acier S355. L'influence des paramètres opératoires est analysée à l'aide des observations obtenues par caméra rapide ainsi que les macrographies des cordons de soudure. La déformation de la surface du bain de fusion induite par la pression d'arc, la longueur du bain de fusion, le détachement des gouttes et les vitesses en surface du bain de fusion ont été analysés plus en détail. Dans un deuxième temps, un modèle numérique a été développé à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics® pour les procédés de soudage MAG, laser et hybride laser/MAG. Il s'agit d'un modèle 3D quasistationnaire permettant de calculer le champ de température au sein du métal. L'originalité du modèle MAG et hybride réside dans la prédiction du profil de la surface du bain fondu pour déterminer la géométrie 3D en prenant en compte l'apport de matière et les effets de tension superficielle. L'influence de divers paramètres tels que la puissance d'arc et la vitesse de soudage sur le rendement et le rayon de distribution de la puissance d'arc ainsi que sur la pression d'arc est analysée par le biais de validation avec plusieurs résultats expérimentaux et différents cas de calculs.
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